重新设计的电流导体提高了锂离子电池的效率和安全性

用于锂离子电池的重新设计集电器

斯坦福和SLAC的科学家重新设计了电流导线 - 薄金属箔,用于从电极分布电流 - 使锂离子电池更轻,更安全,更有效。它们取代了全铜导体,中间,用一层轻质聚合物涂覆在超薄铜(右上右),并在聚合物层中嵌入阻燃剂以淬火火焰(右下)。资料来源:斯坦福大学叶玉生

在电池集热器中加入聚合物和防火材料可以使其更轻、更安全,效率提高20%左右。

为了让锂离子电池更轻、更安全、更高效,斯坦福大学和能源部SLAC国家加速器实验室的科学家们重新设计了一种最重的电池组件——铜或铝箔薄片,也就是电流收集器——这样它们的重量减少了80%,并能立即扑灭任何起火的火焰。

研究人员说,如果采用这种技术,可以解决电池研究的两个主要目标:延长电动汽车的行驶里程,减少笔记本电脑、手机和其他设备起火的危险。当电池充电速度极快时,这一点尤其重要,因为这会导致更多类型的电池损坏,从而导致火灾。

研究小组描述了他们的工作自然能源2020年10月15日。

“The current collector has always been considered dead weight, and until now it hasn’t been successfully exploited to increase battery performance,” said Yi Cui, a professor at SLAC and Stanford and investigator with the Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) who led the research.

“但在我们的研究中,将收集器提高80%较轻增加锂离子电池的能量密度 - 它们可以在给定的重量中存储多少能量 - 达到16-26%。这是一个大跳跃,而近年来平均增长的平均增加3%。“

用于锂离子电池的重新设计集电器

与当今锂离子电池中的集电器相比,由斯坦福和斯塔克科学家设计的新版本使电池更轻,更节能和更安全。它还可以通过用更便宜的聚合物取代铜并通过降低用于回收电池的成本来降低成本。信用:Greg Stewart / Slac National Accelerator实验室

拼命寻求减肥

无论是以汽缸还是袋子的形式,锂离子电池都有两个电流收集器,每个电极。它们分配流入或从电极中流出的电流,并占一些大功率或超薄电池的重量的15%至多达50%。剃刮电池的重量本身是可取的,使较轻的装置能够降低重量电动车辆的数量;每种给定重量存储更多的能量允许两个设备和EV在收费之间延长。

崔说,降低电池重量和易燃性也可能对再循环电池的运输提供了很大的影响。

电池行业的研究人员一直在试图通过使集电极更薄或多孔性更强来减轻集电极的重量,但这些尝试都产生了不必要的副作用,比如使电池更脆弱或化学不稳定,或需要更多的电解质,这增加了成本,叶玉生(音)说,他是崔教授实验室的博士后研究员,与访问学者周连阳一起进行了实验。

至于安全问题,他说,“人们也尝试在电池电解质中加入阻燃剂,这是易燃的部分,但你只能添加一定量的阻燃剂,否则它就会变得粘稠,不再很好地导电。”

锂离子袋电池易燃性

在斯坦福大学和SLAC的一项研究中,用现在的商业电流收集器制造的袋状锂离子电池(上一排)在暴露在明火下时发生了火灾,并剧烈燃烧,直到电解质全部燃烧殆尽。使用新型阻燃收集器的电池(下面一排)会产生微弱的火焰,在几秒钟内熄灭,即使科学家试图重新点燃它们,也不会再次燃起。资料来源:斯坦福大学叶玉生

设计聚合物 - 铝箔三明治

在对这个问题进行了讨论之后,崔、叶和研究生刘亚源设计了基于一种名为聚酰亚胺的轻质聚合物的电流收集器的制作和测试实验,这种聚合物能抵抗火灾,并能承受快速充电产生的高温。在聚合物中嵌入一种阻燃剂——磷酸三苯酯(简称TPP),然后在聚合物的两面涂上一层超薄的铜。铜不仅能完成通常的电流分配工作,还能保护聚合物及其阻燃剂。

Those changes reduced the weight of the current collector by 80% compared to today’s versions, Ye said, which translates to an energy density increase of 16-26% in various types of batteries, and it conducts current just as well as regular collectors with no degradation.

当从打火机上暴露在打开的火焰时,用今天的商业集电器制造的袋子电池引起了火灾并剧烈燃烧,直到所有电解质烧掉,叶说。但在电池与新的阻燃收藏家的电池中,火从来没有真正走过,在几秒钟内产生非常弱的火焰,即使科学家试图愿意,也没有爆发。

崔说,这种方法的一大优点是,这种新型收集器应该易于制造,而且成本更低,因为它用一种廉价的聚合物取代了部分铜。因此,他说,将其扩大到商业生产,“应该是非常可行的。”研究人员已经通过斯坦福大学申请了专利,崔表示,他们将联系电池制造商,探索这种可能性。

参考:“超轻和灭火电流收集器高能和高安全的锂离子电池”你们浴,Lien-Yang周,汉森Wang Yayuan Liu Hiang Kwee Lee Wenxiao黄嘉Wan,刘凯,周Guangmin Yufei杨,杨Ankun,鑫,鑫高,大卫·托马斯·博伊尔,陈郝,文博张唱Cheol金和易建联崔,2020年10月15日,自然能源
DOI:10.1038 / S41560-020-00702-8

该工作得到了DOE的能效和可再生能源办公室,车辆技术办公室在锂离子电池(XCEL)计划的极端快速充电电池评估下。

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